YWS-1大型擴(kuò)散云霧室（宇宙射線實時探測）

1912年，德國科學(xué)家韋克多·漢斯帶著電離室在乘氣球升空測定空氣電離度的實驗中，發(fā)現(xiàn)電離室內(nèi)的電流隨海拔的升高而變大，從而認(rèn)定電流是來自地球以外的一種穿透力*的射線所產(chǎn)生的，于是有人為之取名為“宇宙射線”。

宇宙射線主要是有質(zhì)子、氦核、鐵核等裸質(zhì)子核組成的高能粒子流，也含有少量中性的γ射線和穿過地球的中微子流，由于星際磁場和星際介質(zhì)的影響，宇宙線粒子在星際空間中經(jīng)歷著復(fù)雜的傳播過程，這些帶電粒子受磁場影響而改變其原本方向。星際磁場就像一個攪拌機(jī)，將宇宙線粒子攪拌得各向同性。其中一些zui終穿過，大氣層到達(dá)地球。這里要指出的是，直接探測宇宙線必需在大氣層外進(jìn)行，用衛(wèi)星或在宇宙空間站上進(jìn)行探測。因為除中微子外，幾乎所有外來的高能宇宙射線在穿過大氣層時都要與大氣中的氧氮原子核發(fā)生碰撞，并使其失去zui初的身份而轉(zhuǎn)化出次級宇宙線粒子。1938年法國物理學(xué)家俄歇發(fā)現(xiàn)這些超高能宇宙線的次級粒子又將有足夠能量產(chǎn)生下一代粒子，如此下去，就會在地面產(chǎn)生由電磁級聯(lián)形成的μ子、電子、正電子以及γ射線粒子的組合物，這就是所謂的“廣延大氣簇射”。正是廣延大氣簇射提供給我們另一種探測宇宙線的手段——測量宇宙線和大氣相互作用產(chǎn)生的次級粒子，即所謂間接探測。我國西藏羊八井宇宙射線觀察站就是利用廣延大氣簇射對宇宙線進(jìn)行探測。依據(jù)原初宇宙線的能量大小和大氣簇射產(chǎn)生粒子數(shù)目相關(guān)的原理，即原初能量越高，次級粒子數(shù)目越多，這樣就可根據(jù)探測到的次級粒子的數(shù)目來推知原初粒子能量。

從目前人類探測到的數(shù)據(jù)可知，宇宙線的的能量約從10⁹電子伏特到10²⁰電子伏特，而迄今為止，人造粒子加速器的zui高能量約為10¹³電子伏特。也就是說宇宙線源這個天然高能加速器的能量是北京正負(fù)電子對撞機(jī)的一百億倍。科學(xué)家們困惑，天體上什么機(jī)制能使粒子達(dá)到10²⁰電子伏特的這樣高的能量。

今天，人類雖然不能準(zhǔn)確說出宇宙射線是由什么地方產(chǎn)生的，但它們無償?shù)貫榈厍驇砹巳盏乜臻g環(huán)境的寶貴信息。宇宙線是至細(xì)至微的物質(zhì)粒子，但其揭示和反應(yīng)的卻是zui宏大的宇宙的信息。宇宙線的研究，關(guān)乎于我們從何而來，又將去向何處的*問題。

為了有效和*對宇宙射線進(jìn)行觀測，各國都相繼建立了觀測站。一般所采用的探測器大致分為二大類。一種是電信號探測器，我國西藏羊八井宇宙射線觀察站采用的閃爍體探測器就屬于這一類，其工作原理是當(dāng)高能粒子穿過閃爍體時在其中損失能量使閃爍體發(fā)生熒光，這一光束經(jīng)過光陰極轉(zhuǎn)換并經(jīng)光電倍增管放大后變成一個電脈沖信號，然后輸入電子記錄系統(tǒng)，由磁帶進(jìn)行全年不間斷記錄。另一種是徑跡探測器，它不僅能記錄帶電粒子所產(chǎn)生的電離的大小，還能看到其運(yùn)動的軌跡，從而探知單個粒子所飛行的具體路徑?？茖W(xué)上zui早探測帶電粒子徑跡的探測器是由英國科學(xué)家威爾遜（wilson）1911年發(fā)明的云室，其手段是用機(jī)械的方法使容器內(nèi)氣體的體積瞬間膨脹，引起溫度下降，從而使水蒸氣達(dá)到過飽和狀態(tài)。如果此時有帶電粒子通過，則會在它所經(jīng)過的路徑上產(chǎn)生電離，以這些電離的粒子為凝聚中心凝成一連串的小水滴，從而顯示出粒子的運(yùn)動路徑。云室對粒子物理的發(fā)展起了很大的作用，諸如正電子、μ子等許多基本粒子都是在觀察宇宙射線時籍由拍攝它們在云室里的運(yùn)動軌跡而發(fā)現(xiàn)的。隨著科學(xué)的發(fā)展，后來科學(xué)家們又相繼制成了氣泡室、原子核乳膠等徑跡探測器。這些探測器都曾為現(xiàn)代高能物理學(xué)的發(fā)展發(fā)揮過重要的作用。

根據(jù)云室的原理，上海實博實業(yè)有限公司協(xié)同數(shù)位專家教授研制成大型擴(kuò)散云霧室。它能用來顯示、觀察原本人類無法看見和感觸到的來自宇宙和地球上的射線的徑跡。當(dāng)每秒鐘數(shù)目眾多的射線的徑跡連續(xù)不斷的展示在人們眼前時，使教科書上冷冰冰的名詞轉(zhuǎn)變成體會科學(xué)的生動的體驗，更能激發(fā)廣大學(xué)生對于（粒子）物理學(xué)的無限想象空間。大型擴(kuò)散云霧室在全國高校第七屆物理演示研討會上榮獲一等獎，并被全國許多高校和科技館采納使用。

一、探測器特點

探測器有寬闊的觀察視場（46cm×46cm）能方便而直接地用肉眼看到所有帶電粒子的運(yùn)動軌跡以及這些粒子的入射方向。

本儀器zui大的特點在于能連續(xù)不斷地顯示儀器所在的自然背景輻射及來自宇宙的和來自地球的自然輻射，由于探測器的工作過程是*自動的，所以操作簡單，且耗能低。

二、技術(shù)要求

1、觀察室應(yīng)有良好的密封性能，保證蒸汽擴(kuò)散過程十分穩(wěn)定地達(dá)到動態(tài)平衡。

2、盡量減少過飽和蒸汽中非粒子徑跡所形成的霧狀本底和降低正負(fù)離子對復(fù)合的概率，電場所加的高電壓應(yīng)達(dá)3kV～6kV。

3、觀察室的低端溫度應(yīng)在30分鐘內(nèi)達(dá)到-40℃以下。（本儀器制冷系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件均采用德國丹佛斯公司的產(chǎn)品）

三、技術(shù)參數(shù)

1、顯示粒子徑跡的活動層：46cm×46cm×近似1cm

2、觀察室尺寸：65cm×65cm×20cm

3、工作液體：分析純無水乙醇

4、制冷劑：R404

5、蒸發(fā)槽加熱器工作電流：2.5～5A

6、電場電壓：6kV

7、低溫板工作溫度：-30℃～-40℃

8、光源：15W×2（熒光燈）

9、電壓：AC220V，50Hz

10、功耗：1kVA

11、重量：95kg